DE19752034C1

DE19752034C1 - Arrangement for detecting particles in gases and liquids

Info

Publication number: DE19752034C1
Application number: DE1997152034
Authority: DE
Inventors: Andreas Trampe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-11-24
Filing date: 1997-11-24
Publication date: 1999-08-12
Anticipated expiration: 2017-11-25

Abstract

The arrangement has a light source for illuminating the particles being transported by a flowing medium with at least two identical measurement chains consisting of optical components which conduct the light, a measurement cell, a photodetector with following amplifier, a low pass filter, a sampling element (4) and an analogue-to-digital converter or ADC (5). A correlator (6) with a connected computerized evaluation unit is connected after each measurement chain. The sampler, ADC, correlator and computer are clock synchronized

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Partikeln mit den Merkmalen des Hauptanspruches.The present invention relates to a device for Detection of particles with the features of the main claim.

Partikelzählgeräte werden in den verschiedensten Bereichen der Technik eingesetzt. Diese Geräte dienen zur Zählung und Größenbestimmung von Partikeln. Das Prinzip der Geräte beruht auf der Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit den Partikeln. Liegt die Wellenlänge der Strahlung in dem Bereich des Lichtes, nennt man den Effekt Lichtstreuung. Die Partikel werden durch ein Strömungsmittel in das Meßvolumen transportiert und durch eine entsprechenden Strahlungenquelle bestrahlt. Im Falle von Licht werden Laser aber auch intenstätsstarke Weißlichtquellen wie Xenon- oder Quecksilberdampflampen verwendet. Die Detektion erfolgt durch die Messung des von den Partikeln gestreuten Lichtes bzw. des geschwächten Lichtes der Lichtquelle.Particle counters are used in a wide variety of areas Technology used. These devices are used for counting and Particle size determination. The principle of the devices is based on the interaction of electromagnetic radiation with the particles. Is the wavelength of the radiation in the The area of light is called the light scattering effect. The Particles get into the measuring volume by a fluid transported and by an appropriate radiation source irradiated. In the case of light, lasers are also high intensity white light sources such as xenon or Mercury vapor lamps used. The detection is carried out by the measurement of the light scattered by the particles or the weakened light of the light source.

Wichtige Voraussetzung für die Detektion ist, daß der bestrahlte Bereich, auch Meßvolumen, durch geeignete Maßnahmen so begrenzt wird, daß sich in der Regel immer nur ein einzelnes Partikel in diesem Bereich befindet. In dem Fall erhält man immer nur die Information von dem einzelnen Partikel. Die Auswertung der gemessenen Partikel nach ihren Durchmessern erfolgt nahezu verzögerungsfrei, so daß es sich um eine On-Line Messung handelt.An important prerequisite for the detection is that the irradiated area, also measuring volume, by suitable measures is so limited that there is usually only a single one Particles located in this area. In that case you get only the information from the individual particle. The Evaluation of the measured particles according to their diameters is almost instantaneous, making it an on-line Measurement.

Das Prinzip dieser Messung erlaubt eine Untersuchung des Strömungsmittels, ohne es zu beeinflussen. Daher ermöglicht diese rückwirkungsfreie Messung den Einsatz der Geräte in vielen Produktionseinrichtungen. Die Geräte sind in unterschiedlichen Ausführungen kommerziell erhältlich. Anwendungsgebiete sind u. a. in der Verfahrenstechnik bei z. B. der Analyse von Pulvern und Stäuben.The principle of this measurement allows an investigation of the Fluid without affecting it. Therefore enables this non-reactive measurement the use of the devices in many production facilities. The devices are in different versions commercially available. Areas of application are u. a. in process engineering at z. B. analysis of powders and dusts.

Ein weiterer wichtiger Einsatzbereich sind die sog. Reinen Technologien, dazu gehören u. a. die Herstellung von Halbleiterschaltungen, Pharmaproduktionen und die Opto- und Feinwerktechnik. Der Begriff "Reine Technologien" rührt aus der Notwendigkeit, daß in diesen Produktionen das Produkt umgebende Strömungsmittel bzw. Fluids "rein" von Fremdstoffen insbesondere aber von Partikeln sein müssen. In diesen Bereichen dienen die Partikelzählgeräte zur Kontrolle des produktumgebenden Fluids. Weitere Einsatzgebiete sind u. a. Filterprüfungen, Umweltmessungen und Inhalationsmessungen.Another important area of application is the so-called pure Technologies, these include a. the production of Semiconductor circuits, pharmaceutical productions and the opto and Precision engineering. The term "pure technologies" comes from the Necessity for the surrounding product in these productions Fluid "pure" of foreign matter but especially must be of particles. In these The particle counters are used to control the areas product-surrounding fluids. Other areas of application include a. Filter tests, environmental measurements and inhalation measurements.

Bei der Entwicklung der Partikelzählgeräte ging der Trend der letzten Jahre immer mehr zu dem Nachweis kleinerer Partikel bei hohen Durchsatzraten (< 28 l/min). Gleichzeitig soll eine hohe Auflösung bezüglich des Partikeldurchmessers erreicht werden.In the development of particle counters, the trend went in recent years has increasingly contributed to the detection of smaller particles high throughput rates (<28 l / min). At the same time, a high Resolution with regard to the particle diameter can be achieved.

Diese drei Leistungsmerkmale sind unmittelbar miteinander verknüpft. Sie hängen alle von dem Rauschen in der Meßkette der Detektion, der Strahlungsquellen und dem der Fluidmoleküle ab. Je niedriger das Rauschen ist, desto besser werden die Leistungen der Geräte. Die Höhe des Rauschens wird in Relation zum Nutzsignal angegeben und als Signal zu Rauschverhältnis (SNR) bezeichnet.These three features are directly related to each other connected. They all depend on the noise in the measuring chain Detection, the radiation sources and that of the fluid molecules. The lower the noise, the better they get Equipment performance. The amount of noise is in relation specified for the useful signal and as a signal to noise ratio (SNR).

Das SNR "bildet" sich in der Meßkette der Detektion. Die Meßketten der bekannten Ausführungsformen bestehen aus einem Photoempfänger, der das gestreute bzw. geschwächte Licht empfängt und in ein elektrisches Signal umsetzt. Die Empfänger können im Wellenlängenbereich des Lichtes normale Photodioden, CCD Arrays oder Photomultiplier sein. Jedem dieser Empfänger muß eine Verstärkeranordnung nachgeschaltet werden, um das Nutzsignal auf eine Größe zu verstärken, die verwertbar ist. Neben dem Nutzsignal empfängt der Photoempfänger auch Strahlungsrauschen, welches von den Fluidmolekülen und der Strahlungsquelle stammt und in gleichen Maß wie das Nutzsignal mit verstärkt wird. Weiterhin kommen noch die Eigenrauschanteile der Photoempfänger und der Verstärkerschaltung zum Gesamtrauschen dazu. Am Ausgang der Verstärkerschaltung liegt somit ein Signalgemisch vor, aus dem die Nutzsignale detektiert werden müssen. Neben der reinen Detektion ist auch die Amplitude des Nutzsignals zu bestimmen, um daraus die Partikelgröße ableiten zu können.The SNR "forms" in the measuring chain of the detection. The Electrodes of the known embodiments consist of a Photo receiver, which is the scattered or weakened light receives and converts it into an electrical signal. The recipients can normal photodiodes in the wavelength range of light, CCD arrays or photomultipliers. Each of these recipients an amplifier arrangement must be connected in order to To amplify the useful signal to a size that can be used. In addition to the useful signal, the photo receiver also receives Radiation noise, which from the fluid molecules and the Radiation source comes from and to the same extent as the useful signal is reinforced with. Still coming Self-noise components of the photo receivers and the Amplifier circuit for total noise. At the exit of the Amplifier circuit is therefore a mixture of signals from which the useful signals must be detected. In addition to the pure Detection, the amplitude of the useful signal is also to be determined, to derive the particle size from it.

In den bekannten Ausführungen von Partikelzählern erfolgt die Partikeldetektion dann direkt nach der Verstärkerschaltung durch einen analogen oder digitalen Schwellwertentscheider. Das heißt, wird ein bestimmter vorgegebener Pegel im Signalgemisch überschritten, wird dieses Ereignis als Partikel gewertet. Jede Störung, die den vorgegebenen Pegel überschreitet, wird demnach auch als Partikel gewertet. Dieser Fall entspricht einer unerwünschten Fehlzählung, die vom Anwender nicht festgestellt werden kann. Um die Anzahl der Fehlzähtungen zu reduzieren, sind in vielen bekannten Ausführungen von Partikelzählgeräten die Schwellwertentscheider mit Laufzeitvergleichern kombiniert worden. Zur Reduktion von hochfrequenten Störungen werden vereinzelt Tiefpaßfilter verwendet.This takes place in the known designs of particle counters Particle detection then directly after the amplifier circuit by an analog or digital threshold value decider. The is called, a certain predetermined level in the signal mixture exceeded, this event is considered a particle. Each A disturbance that exceeds the specified level is accordingly also counted as particles. This case corresponds to one unwanted miscount that has not been determined by the user can be. In order to reduce the number of incorrect perforations, are in many known versions of particle counters the threshold decision maker combined with runtime comparators been. To reduce high frequency interference occasionally low-pass filter used.

Bestimmte spezifizierte Grenzwerte von Partikelgrößen und Anzahlkonzentrationen lassen sich mit den bekannten Verfahren aber nicht mehr nachweisen.Certain specified limits for particle sizes and Number concentrations can be with the known methods but no longer prove.

Die in den bekannten Partikelzählern angewandten Methoden zur Partikeldetektion beruhen nur auf den Beobachtungen der einfachsten Signalmerkmale, wie Signalpegel und Signallänge. Keine der daraus abgeleiteten Detektionsverfahren (Schwellwertentscheider, Laufzeitvergleich) liefert eine Verbesserung des SNR.The methods used in the known particle counters Particle detection is based only on the observations of the simplest signal characteristics, such as signal level and signal length. None of the detection methods derived from it (Threshold value decider, runtime comparison) provides one Improvement of the SNR.

Nachteilig ist weiterhin, daß häufig bei der Filterung der Signale durch Tiefpaßfilter in der Regel auch ein Teil der Signalinformationen gedämpft wird. Die reale Tiefpaßfilterung liefert ebenfalls keine Steigerung des SNR.Another disadvantage is that the filtering of the Signals through low-pass filters usually also part of the Signal information is attenuated. The real low-pass filtering also does not provide an increase in the SNR.

Die bekannten Ausführungen von Partikelzählern gewährleisten nur eine sichere Detektion der Partikel, wenn das Verhältnis des Nutzsignals zum Gesamtrauschen am Verstärkerausgang minimal 10 beträgt. Bei besonders empfindlichen Geräten wird das minimale Verhältnis von den Herstellern kleiner gewählt, um kleinere Partikel messen zu können. Dies geht zu Lasten der Fehlzählrate. Die Geräte zählen dann in einem sehr großen Umfang Störungen als vermeintliche Partikel.Ensure the known designs of particle counters only reliable detection of the particles if the ratio of the useful signal to the total noise at the amplifier output minimal Is 10. This is the case for particularly sensitive devices minimal ratio chosen by the manufacturers to be smaller to be able to measure smaller particles. This is at the expense of Miscount rate. The devices then count in a very large one Extent of disturbances as putative particles.

Das Rauschen beeinflußt nicht nur die untere Nachweisgrenze negativ, sondern auch das Auflösungsvermögen. Die Fähigkeit kleine Änderungen im Partikeldurchmesser zu unterscheiden, wird auch bei relativ großen Signalen durch das Rauschen beeinträchtigt. Dies macht sich besonders stark bei Partikelzählern bemerkbar, die als Lichtquellen Weißlichtlampen bzw. als Detektoren Photomultiplier verwenden. Die bisher bekannten Verfahrten liefern hier keine Verbesserung.The noise not only affects the lower detection limit negative, but also the resolving power. The ability to distinguish small changes in the particle diameter even with relatively large signals due to the noise impaired. This is particularly important Particle counters noticeable as white light lamps as light sources or use photomultipliers as detectors. The so far Known journeys do not provide any improvement here.

Jede der bekannten Lösungen zur Partikeldetektion ist hardwaremäßig auf einen bestimmten Partikelzähler zugeschnitten. Änderungen an diesen Schaltungen sind immer mit relativ hohem Aufwand verbunden. Die Übertragbarkeit auf andere Geräte ist somit erschwert.Each of the known particle detection solutions is in terms of hardware to a specific particle counter tailored. Changes to these circuits are always included relatively high effort. Transferability to others Devices is therefore difficult.

In der US-A-53 29 351 wird ein erster Ansatz zur Verbesserung des SNR aufgezeigt. Dabei wird das Streulicht von Partikeln auf Oberflaechen in der patentgemaessen Vorrichtung in gleiche Anteile geteilt, auf Detektoren geleitet und verstaerkt. Die verstaerkten elektrischen Signale werden dann wieder summiert. Die Vorrichtung soll das SNR erhoehen, wofuer allerdings keine Belege angefuehrt werden.US-A-53 29 351 describes a first approach to improvement of the SNR. This causes the scattered light from particles Surfaces in the patented device in the same Shares shared, routed to detectors and amplified. The amplified electrical signals are then summed up again. The device is intended to increase the SNR, but not for that Receipts are listed.

In ähnlicher Weise wird in der DE-OS-39 30 642 eine Vorrichtung zur Verbesserung des SNR beschrieben. In dieser Schrift wird eine Rauschunterdrueckung beschrieben, die durch die Subtraktion (Addition eines invertierten Signals) von zwei Signalen realisiert ist. Die Signale stammen aus benachbarten' Bereichen des Messvolumens, enthalten somit nicht das gleiche Signalgemisch. Auch das Rauschen ist an dem Subtraktionspunkt in den beiden Signalgemischen grundsaetzlich unterschiedlich. Somit kommt es nur zu einer Reduktion, wenn rein zufaellig zu dem aktuellen Zeitpunkt die Rauschwerte gleich waren. Eine definierte SNR Verbesserung stellt diese Vorrichtung nicht dar.Similarly, in DE-OS-39 30 642 a Device for improving the SNR described. In this Scripture describes a noise reduction that is caused by the subtraction (addition of an inverted signal) from two Signals is realized. The signals come from neighboring ' Areas of the measuring volume therefore do not contain the same Mixed signal. The noise is also at the subtraction point fundamentally different in the two signal mixtures. So there is only a reduction if purely coincidental the noise values were the same at the current time. A This device does not represent a defined SNR improvement.

Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, die genannten Nachteile zu überwinden, indem das Signal zu Rausch Verhältnis der Detektion verbessert wurde.The object of the invention was the above Overcome disadvantages by reducing the signal to noise ratio detection has been improved.

Dies wird erfindungsgemäß erzielt durch Bereitstellung einer Vorrichtung zur Partikeldetektion mit den Merkmalen des Hauptanspruches.This is achieved according to the invention by providing a Particle detection device with the features of Main claim.

Seitens des Erfinders wurde durch eine Analyse des Meßverfahrens gefunden, daß der Verlauf, also die Form der reinen ungestörten Nutzsignale, bis auf einen Amplitudenfaktor bekannt sind. Das heißt, man kann für ein gegebenes Gerät die Form des Nutzsignals ermitteln, die ein Partikel beliebiger Größe erzeugen würde. Die Partikelgröße wird nur noch durch einen Multiplikator, den Amplitudenfaktor repräsentiert. Mit dieser wesentlichen Voraussetzung kann eine angepaßte Filterung (matched filter) angewendet werden. Dazu ist die ermittelte Signalform des ungestörten Nutzsignals mit den aktuell gemessenen Signalen zu vergleichen. Das Ergebnis der Korrelation ist ein maximal mögliches SNR am Ausgang des Filters.On the part of the inventor, an analysis of the Measurement method found that the course, ie the shape of the pure undisturbed useful signals, except for an amplitude factor are known. That means you can use the for a given device Determine the shape of the useful signal, which is a particle arbitrary Would produce size. The particle size is only determined by a multiplier representing the amplitude factor. With This essential requirement can be adapted filtering (matched filter) can be applied. For this is the determined Signal form of the undisturbed useful signal with the current compare measured signals. The result of Correlation is a maximum possible SNR at the output of the Filters.

Zur Verbesserung der Eingangsvoraussetzungen für die angepaßte Filterung muß das jeweilige Eingangsrauschen reduziert werden. Dazu sind mindestens zwei parallele identische Meßketten zu benutzen, die simultan ein Meßvolumen abtasten. Dieses Prinzip der simultanen Mehrfachabtastung kann auf n identische, jedoch unabhängige Meßketten erweitert werden. Grundgedanke dieser Maßnahme ist die Tatsache, daß das Nutzsignal in den beiden Meßketten identisch ist. Somit sind die Nutzsignale der Meßketten miteinander korreliert. Das Rauschen ist ein zufälliger Prozeß, somit ist das Rauschen in den Meßketten unkorreliert. Durch die Berechnung der On-Line Kreuzkorrelation der n Ausgangssignale der Meßketten wird das unkorre-lierte Eigenrauschen der unabhängigen Komponenten eliminiert und die korrelierten Signale verstärkt. Die On-Line Filterung und Korrelationsberechnung ist in digitaler Form auf einem Digitalen Rechenwerk (DSF, RISC Prozessor, Transputer o. ä.) möglich.To improve the entry requirements for the adapted Filtering the respective input noise must be reduced. For this, at least two parallel, identical electrodes are to be used use that simultaneously sample a measurement volume. This principle the simultaneous multiple sampling can be identical to n, however independent electrodes can be expanded. Rationale of this Measure is the fact that the useful signal in the two Electrodes are identical. The useful signals are thus the Electrodes correlated with each other. The noise is one random process, so there is noise in the electrodes uncorrelated. By calculating the online cross correlation of the n output signals of the electrodes becomes the uncorrected one Inherent noise of the independent components and the correlated signals amplified. The online filtering and Correlation calculation is in digital form on one Digital arithmetic unit (DSF, RISC processor, transputer or similar) possible.

Der wesentlichste Vorteil der angepaßten Filterung ist die maximale Vergrößerung des Signal zu Rauschverhältnis (SNR). Keine andere Filterung liefert bei gleichem Eingangssignalgemisch ein größeres SNR. Die Signalinformationen, also das Auftreten eines Partikels sowie dessen Durchmesser, werden durch die Filterung nicht gedämpft, sondern hervorgehoben.The main advantage of customized filtering is that maximum enlargement of the signal to noise ratio (SNR). No other filtering delivers the same Input signal mix a larger SNR. The Signal information, i.e. the occurrence of a particle as well its diameter, are not dampened by the filtering, but highlighted.

Durch die angepaßte Filterung (matched filter) kann eine niedrige Fehlzählrate auch bei hoher Empfindlichkeit gewährleistet werden, da das Filter nur die Signale als Partikelsignale identifiziert, die dem Mustersignal entsprechen. Mit diesem Verfahren ist eine sichere Detektion bei einem SNR kleiner 1 am Verstärkerausgang möglich. Die untere Nachweisgrenze bezüglich der Partikelgröße wird erheblich herab gesenkt, ohne die Fehlzählrate zu verschlechtern.Due to the matched filtering, a low false count rate even with high sensitivity can be guaranteed because the filter only signals as Particle signals identified that match the pattern signal correspond. With this method is a safe detection possible with an SNR less than 1 at the amplifier output. The lower detection limit with regard to particle size significantly decreased without the false count rate worsen.

Die in der ursprünglichen Amplitude des Streulichtsignals enthaltene Größeninformation wird durch die Erfindung nicht beeinflußt. Man kann nach der Filterung die unverfälschte Größe der Partikel bestimmen.The in the original amplitude of the scattered light signal contained size information is not by the invention influenced. After filtering you can see the unadulterated size determine the particle.

Durch die Reduktion des Rauschens vor der Filterung wird die Auflösung bezüglich der Partikelgröße erheblich gesteigert. Die Geräte können damit Änderungen in der Partikelgröße auflösen, die bisher nicht möglich waren.By reducing the noise before filtering, the Resolution regarding particle size increased considerably. The Devices can resolve changes in particle size, that were previously not possible.

Die gesamte Signalverarbeitung ist so gestaltet, daß sie universell für alle Ausführungen von Geräten gleich gestaltet werden. Anpassungen erfolgen sehr einfach nur durch die Software.The entire signal processing is designed so that it universally designed for all types of devices become. Adjustments are made very simply by the Software.

Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die beschriebene Detektion On-Line ohne jegliche Totzeit durchgeführt werden. Bei bekannten Verfahren treten Totzeiten auf, in denen keine Partikel detektiert werden können. Damit ist hier gewährleistet, daß alle Partikel, die den bestrahlten Bereich durchfliegen, auch gezählt werden.Using the device according to the invention, the described Detection can be carried out on-line without any dead time. In known methods, dead times occur in which none Particles can be detected. So here is ensures that all particles that make up the irradiated area fly through, also be counted.

Neuste geforderte Grenzwerte (Partikelgröße und Anzahlkonzentration) in der Halbleiterherstellung und der Inhalationstechnik können nur mit der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden. Mit den neuen Leistungsdaten kann man mit diesen Geräten in Bereiche vordringen, die bisher teueren und zeitaufwendigen Off-Line Verfahren wie zum Beispiel die gesamte Rastermikroskopie vorbehalten waren.Latest required limit values (particle size and Number concentration) in semiconductor manufacturing and Inhalation technology can only be used with the device according to the invention. With the new ones Performance data can be divided into areas with these devices advance, the previously expensive and time-consuming off-line Procedures such as the entire scanning microscopy were reserved.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are in the accompanying Drawings are shown and are described in more detail below described.

Dabei zeigen Fig. 1: eine Ausführungen eines Partikelzählgerätes nach dem Stand der Technik;In the drawings Figure 1 is a embodiments of a particle counter according to the prior art;.

Fig. 2: ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung; FIG. 2 shows an embodiment of the inventive apparatus;

Fig. 3: eine schematische Gesamtdarstellung einer bekannten Ausführungsform eines Partikelzählgerätes; FIG. 3 shows an overall schematic representation of a known embodiment of a particle counter;

Fig. 4: eine schematische Gesamtdarstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zur Reduktion des Eigenrauschens in den Meßketten, sowie Fig. 4 is a schematic overall illustration of an embodiment of the invention for reducing the inherent noise in the measuring cells, and

Fig. 5: eine schematische Gesamtdarstellung einer Variante des erfindungsgemäßen Aufbaus zur Reduktion des Eigenrauschens in zwei Meßketten hier und zur Reduktion des Rauschens in den Strahlungssignalen. FIG. 5 shows a schematic overall view of a variant of the construction according to the invention for reducing the inherent noise in two measurement chains here and for reducing the noise in the radiation signals.

In Fig. 1 ist eine Ausführung einer bekannten Meßkette eines Partikelzählgerätes dargestellt. Die durch die Partikel gestreute bzw. geschwächte Strahlung wird von dem Empfänger 1 in ein elektrisches Signal umgewandelt und von dem nachgeschalteten Verstärker 2 in ein verwertbares Signal verstärkt. Der Schwellwertentscheider 10 gibt Zählpulse an die Ausgabeeinheit 8 weiter, wenn das elektrische Signal einen vorgegebenen Pegel und/oder eine bestimmte Laufzeit überschritten hat. Tiefpaßfilter und andere Ausführungen für den Entscheider 10 sind hier nicht dargestellt.In Fig. 1 shows an embodiment of a prior art electrode is shown a particle counter. The radiation scattered or weakened by the particles is converted by the receiver 1 into an electrical signal and amplified by the downstream amplifier 2 into a usable signal. The threshold value decider 10 passes on counting pulses to the output unit 8 when the electrical signal has exceeded a predetermined level and / or a certain transit time. Low-pass filters and other designs for the decision maker 10 are not shown here.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit angeschlossener Signalverarbeitung. Ein wesentlicher Unterschied zu bekannten Ausführungen ist der mehrfache hier doppelt dargestellte Aufbau der Meßketten 1 bis 5. Die durch die Partikel gestreute oder geschwächte Strahlung wird durch die Photodetektoren 1 umgewandelt und durch die Verstärker 2 verstärkt. Durch die Bandbegrenzer 3 wird die Signalbandbreite für den anschließenden Abtaster 4 begrenzt. Die abgetasteten Signale werden durch den Wandler 5 digitalisiert. Ein Korrelator 6 führt die Kreuzkorrelation der Signale aus den Meßketten aus. Aus dem verbleibenden Signalgemisch werden die Partikelsignale durch Vergleich mit dem Mustersignal detektiert. Diese Operation wird durch die angepaßte Filterung im Rechenwerk 7 durchgeführt. Der Ausgang der angepaßten Filterung 7 liefert Zählpulse und eine Größeninformation, die beide an die Auswerteeinheit 8 weitergegeben werden. Die gesamte Vorrichtung wird durch den Taktgeber 9 getrieben. Die Taktintervalle müssen um ein Vielfaches kleiner als die Zeitintervalle der Nutzsignale sein. Fig. 2 shows an embodiment of the device according to the invention with connected signal processing. An essential difference to known designs is the multiple structure of the electrodes 1 to 5 shown here twice. The radiation scattered or weakened by the particles is converted by the photodetectors 1 and amplified by the amplifiers 2 . The signal bandwidth for the subsequent scanner 4 is limited by the band delimiter 3 . The sampled signals are digitized by the converter 5 . A correlator 6 cross-correlates the signals from the measuring chains. The particle signals are detected from the remaining signal mixture by comparison with the pattern signal. This operation is carried out by the adapted filtering in the arithmetic unit 7 . The output of the adapted filtering 7 supplies counting pulses and size information, both of which are passed on to the evaluation unit 8 . The entire device is driven by the clock 9 . The clock intervals must be many times smaller than the time intervals of the useful signals.

In Fig. 4 ist eine schematische Gesamtdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Partikelzählgerätes gezeigt. Die Strahlungsquelle 14 bestrahlt das begrenzte Meßvolumen 12. Die vom Partikel 15 gestreute Strahlung wird durch die parallelen fokussierenden Einrichtungen 11 auf die Detektoren 1 gebündelt. Nicht mehr dargestellt sind die den Detektoren nachfolgenden Komponenten aus Fig. 2. In der Konfiguration in Fig. 4. kann nur das Eigenrauschen der Komponenten 1 bis 5 reduziert werden, da das Rauschen der Strahlungsquelle und das Molekülrauschen des Fluids in beiden Meßketten identisch ist.In FIG. 4 is a schematic overall view of an embodiment is shown of a particle counter according to the invention. The radiation source 14 irradiates the limited measuring volume 12 . The radiation scattered by the particle 15 is focused onto the detectors 1 by the parallel focusing devices 11 . The components from FIG. 2 following the detectors are no longer shown . In the configuration in FIG. 4, only the inherent noise of components 1 to 5 can be reduced, since the noise of the radiation source and the molecular noise of the fluid are identical in both measuring chains.

Für die Anwendung der simultanen Mehrfachabtastung und der dadurch möglichen Rauschreduktion durch Kreuzkorrelation ist neben dem in Fig. 2 gezeigten doppeltem Aufbau der Meßkette auch ein mehrfacher Aufbau denkbar. In einem solchen Fall wird dann ein Signalgemisch aus den n-fachen Meßketten gewonnen.In addition to the double structure of the measuring chain shown in FIG. 2, a multiple structure is also conceivable for the use of the simultaneous multiple sampling and the noise reduction by cross correlation which is possible as a result. In such a case, a signal mixture is then obtained from the n-fold measuring chains.

Um das Eigenrauschen weiter zu reduzieren ist ein Aufbau nach Fig. 5 möglich. In diesem Fall werden zwei Meßvolumina von einer Strahlungsquelle 14 bestrahlt. Die Teilung der Strahlung kann zum Beispiel durch dielektrisch beschichtete Platten erfolgen. Jeweils ein Detektor 1 empfängt die gestreute Strahlung über die Fokussierungseinrichtung 11 des jeweiligen Meßvolumens. In order to further reduce the intrinsic noise, a construction according to FIG. 5 is possible. In this case, two measurement volumes are irradiated by a radiation source 14 . The radiation can be divided, for example, by dielectric coated plates. In each case one detector 1 receives the scattered radiation via the focusing device 11 of the respective measurement volume.

Jedes Meßvolumen wird unabhängig von den einzelnen Meßketten 1 bis 5 simultan abgetastet. Damit ist dann auch das Rauschen der Fluidmoleküle unabhängig in den einzelnen Meßketten. Die Meßketten können wiederum auch mehrfach ausgeführt sein.Each measuring volume is scanned simultaneously regardless of the individual electrodes 1 to 5 . The noise of the fluid molecules is then independent in the individual electrodes. The electrodes can in turn be designed multiple times.

Gemäß einer nicht dargestellten weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist es ebenfalls möglich, die Meßvolumen 12 und 13 in Fig. 5 jeweils von getrennten Strahlungsquellen zu bestrahlen. Auf diese Weise kann das Rauschen der Strahlungsquellen selbst unterdrückt werden.According to a further advantageous embodiment, not shown, it is also possible to irradiate the measurement volumes 12 and 13 in FIG. 5 from separate radiation sources. In this way, the noise of the radiation sources themselves can be suppressed.

Bei den in den Fig. 4-5 gezeigten Ausführungen ist jeder geeignete Strahlungsempfänger denkbar. Der Empfänger ist an den Wellenlängenbereich der Strahlungsquelle anzupassen. Die Erfindung selbst ist nicht an eine bestimmte Art von Empfänger oder Strahlungsquelle gebunden.Any suitable radiation receiver is conceivable in the embodiments shown in FIGS. 4-5. The receiver must be adapted to the wavelength range of the radiation source. The invention itself is not tied to a specific type of receiver or radiation source.

Bei den in Fig. 2 gezeigten Verstärkern 2 können auch mehrere Verstärker parallel in jedem Zweig eingesetzt werden, um den Dynamikbereich zu erweitern. Gleichzeitig oder getrennt kann jeder der Verstärker auch als mehrstufiger Verstärker ausgeführt sein.In the examples shown in Fig. 2 amplifiers 2 and a plurality of amplifiers can be used in parallel in each branch to expand the dynamic range. At the same time or separately, each of the amplifiers can also be designed as a multi-stage amplifier.

Die Bandbegrenzung 3 in Fig. 2 kann durch verschiedene Arten realisiert werden. Jede Art von Tiefpaßfiltern kann die Bandbegrenzung vornehmen, sie kann aber auch implizit durch eine äußere Beschaltung der Verstärkerstufen 2 erfolgen.The band limitation 3 in FIG. 2 can be implemented in various ways. Any type of low-pass filter can limit the band, but it can also be done implicitly by external connection of the amplifier stages 2 .

Weiterhin ist auch eine Bandbegrenzung durch einen speziellen Wandler 5 bzw. Abtaster 4 möglich. Der Abtaster 4 und der Wandler 5 können auch als ein Baustein ausgeführt sein. Nicht dargestellt ist die Variante, daß ein Abtaster und ein Wandler gleichzeitig für alle Kanäle benutzt werden können. Der Abtaster ist dann in mehrfacher Ausführung im Baustein enthalten. Bei der Bandbegrenzung ist darauf zu achten, daß die Begrenzung keine Anteile des Nutzsignals ausgrenzt. Dies ist durch eine einmalige Frequenzanalyse im Vorfeld zu untersuchen. Band limitation by a special converter 5 or scanner 4 is also possible. The scanner 4 and the converter 5 can also be designed as a module. The variant that a scanner and a converter can be used simultaneously for all channels is not shown. The scanner is then contained in the module in multiple versions. When limiting the band, make sure that the limitation does not exclude parts of the useful signal. This is to be examined in advance by a one-time frequency analysis.

Der Korrelator 6 in Fig. 2 kann gleichzeitig mit in dem digitalen Signalprozessor 7 realisiert sein. Eine andere Ausführungsform ist die Anwendung von programmierbaren Feldbausteinen mit denen der Korrelator dann realisiert wird. Der Integrationsgrad hängt von der benötigten Datendurchsatzleistung im Einzelfall ab. Der Datendurchsatz kann aus der Zählrate des Partikelzählgerätes und dem Taktintervall ermittelt werden. Die angepaßte Filterung erfolgt durch eine Filterstruktur aus Multiplikatoren und Addierern. Diese Strukturen sind als Filter mit begrenzter Impulsantwort bekannt. In dem Speicher des digitalen Rechenwerks ist das Mustersignal hinterlegt, welches mit dem aktuellen Signal in der Filterstruktur verglichen wird. Der Vergleich kann im Zeit- oder Frequenzbereich durchgeführt werden. Entsprechend ist das Mustersignal zu hinterlegen.Correlator 6 in FIG. 2 can also be implemented in digital signal processor 7 . Another embodiment is the use of programmable field blocks with which the correlator is then implemented. The degree of integration depends on the data throughput required in individual cases. The data throughput can be determined from the counting rate of the particle counter and the cycle interval. The adapted filtering is carried out by a filter structure consisting of multipliers and adders. These structures are known as limited impulse response filters. The pattern signal, which is compared with the current signal in the filter structure, is stored in the memory of the digital arithmetic unit. The comparison can be carried out in the time or frequency domain. The sample signal must be stored accordingly.

Im Fall einer Übereinstimmung von Mustersignal und aktuellem Signal wird von dem Rechenwerk 7 eine Information in Form einer digitalen Signalkombination oder als analoger Wert an die Ausgabeeinheit 8 übergeben. Die Ausgabeeinheit kann als reine Anzeige, die die Ausgangssignale von 7 einfach zählt ausgebildet sein. Weiterhin denkbar ist jede Variante bekannter Kleinrechner wie Mikroprozessoren und Personal Computer. Diese Geräte verfügen standardmäßig über entsprechende Eingangsanschlüsse zur Verbindung mit dem Signalprozessor 7.If the pattern signal and the current signal match, the arithmetic unit 7 transfers information in the form of a digital signal combination or as an analog value to the output unit 8 . The output unit can be designed as a pure display that simply counts the output signals from FIG. 7 . Any variant of known small computers such as microprocessors and personal computers is also conceivable. As standard, these devices have corresponding input connections for connection to the signal processor 7 .

Reference list

11

Empfänger des optischen Signals, Photodetektor zur Umwandlung des optischen Signals in ein elektrisches Signal
Optical signal receiver, photodetector for converting the optical signal into an electrical signal

22nd

Verstärker zur Verstärkung des elektrischen Signals des Photodetektors
Amplifier for amplifying the electrical signal from the photodetector

33rd

Bandbegrenzung, Einrichtung zur Begrenzung der maximalen Frequenz im Signalgemisch
Band limitation, device for limiting the maximum frequency in the signal mixture

44th

Abtaster zur Diskretisierung des analogen Signals
Sampler for discretization of the analog signal

55

Analog Digital Wandler zur Quantisierung der diskreten analogen Signale
Analog to digital converter for quantizing the discrete analog signals

66

Korrelator zur Durchführung der Kreuzkorrelation
Correlator for performing the cross correlation

77

Digitaler Signalprozessor als angepaßter Filter
Digital signal processor as an adapted filter

88th

Ausgabeeinheit zur Anzeige der Meßergebnisse
Output unit for displaying the measurement results

99

Taktgeber
Clock

1010th

Schwellwertentscheider, entscheidet die Detektion eines Partikels
Threshold value decider, decides the detection of a particle

1111

optisches System zum Sammeln des Streulichtes der Partikel
optical system for collecting the scattered light of the particles

1212th

Meßvolumen
Measuring volume

1313

paralleles Meßvolumen
parallel measuring volume

1414

Lichtquelle
Light source

1515

Partikel
particle

Claims

1. Device for the detection of particles in gases and Liquids with a light source for irradiating the a fluid transported with at least particles two measuring electrodes identical in structure, consisting of the Radiation-conducting optical components, a measuring cell, a photodetector with a downstream amplifier, one Low pass filter, a sampling element and an analog / digital (A / D) converter, the electrodes each having a correlator connected evaluation unit with arithmetic unit and the sampling elements, A / D converter, the correlator and that Calculator in its function by a clock be synchronized.

2. Device for detecting particles according to claim 1, wherein the arithmetic unit has a memory for storing a Has pattern signal and an adaptive comparator for Comparison between measured and adjusted sample signal.

3. Device for detecting particles according to claim 1 or 2, the arithmetic unit having a threshold value decider has an equivalent size for the particle diameter issues.